第一章思考題與習(xí)題

第一章思考題與習(xí)題答：控制的首要任務(wù)就是設(shè)計(jì)控制器，并使之能實(shí)現(xiàn)。即控制器是控制系統(tǒng)中的核心部件，它從質(zhì)和量?jī)蓚€(gè)方面決定了控制系統(tǒng)的性能和應(yīng)用范圍。足如此高的性能要求。制算法，獲得快速精密的控制效果。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是利用計(jì)算機(jī)(通常稱為工業(yè)控制計(jì)算機(jī),簡(jiǎn)稱工控機(jī))來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自。從本質(zhì)上看，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程可以歸納為以下四個(gè)方面：(1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對(duì)來自測(cè)量變送裝置的被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)和輸入；行為。(3)實(shí)時(shí)控制輸出：根據(jù)控制決策，適時(shí)地對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，完成控制任務(wù)。且可對(duì)被控制量和設(shè)備本身所出現(xiàn)的異常狀態(tài)及時(shí)進(jìn)行監(jiān)督并迅速做出處理，這就是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)最基本的功能。(1)可以消除常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器的許多難以克服的缺點(diǎn)，如不存在模擬調(diào)節(jié)器的漂移問題，參的濾波效果，特別是數(shù)字濾波可抑制甚低頻的周期干擾(2)使用靈活，便于實(shí)現(xiàn)特殊的控制規(guī)律，如修改部分程序就能改變調(diào)節(jié)規(guī)律，而無需改變(3)具有增加控制回路而不會(huì)顯著地增加費(fèi)用的特點(diǎn)，還可實(shí)現(xiàn)打印、制表、報(bào)警、顯示等計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是以分時(shí)方式對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制的，它以定時(shí)采樣和階段控制來代替常規(guī)看用的理論基礎(chǔ)不一樣，但離散系統(tǒng)是在連續(xù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與常規(guī)模擬系統(tǒng)相比，在工作方式上有如下特點(diǎn)：(1)由程序?qū)崿F(xiàn)的靈活控制作用?？刂埔?guī)律靈活、多樣，改動(dòng)方便，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，后補(bǔ)償控制、多變量解耦控制、最優(yōu)控制等。(2)采樣控制方式。能有效地克服隨機(jī)擾動(dòng)。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，多數(shù)擾動(dòng)是難以預(yù)知的，因正算法估計(jì)過程狀態(tài)，進(jìn)而自動(dòng)調(diào)整控制信號(hào)，保證在擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)仍能達(dá)到滿意的控制效。(3)數(shù)字信號(hào)處理。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，被控制量通常是模擬量，而計(jì)算機(jī)本身的輸入輸出量都是數(shù)字量。因此，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)大都具有數(shù)字—模擬混合式的結(jié)構(gòu)。(4)綜合處理與控制。在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中，一個(gè)控制回路配備一個(gè)控制器，而在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于計(jì)算機(jī)所具有的能力，可實(shí)現(xiàn)多回路、多對(duì)象多工況綜合處理和控制；且控制化程度進(jìn)一步提高。實(shí)時(shí)系統(tǒng)。聯(lián)機(jī)方式，反之稱為離線方式。實(shí)時(shí)系統(tǒng)：工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)該具有的能夠在限定的時(shí)間內(nèi)對(duì)外來事件做出反應(yīng)的特性，超過了允許的時(shí)間，就失去了控制時(shí)機(jī)，控制也就失去了意義?！皩?shí)時(shí)”不等于“同時(shí)”實(shí)時(shí)性包括4個(gè)內(nèi)容：實(shí)時(shí)時(shí)機(jī)采集、實(shí)時(shí)決策運(yùn)算、實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)報(bào)警2個(gè)要素：其一：根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過程出現(xiàn)的事件能夠保持多長(zhǎng)的時(shí)間；其二：該事件要求計(jì)算機(jī)在多長(zhǎng)的時(shí)間以內(nèi)必須做出反應(yīng)，一個(gè)在線的系統(tǒng)不一定是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，但一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與常規(guī)模擬系統(tǒng)相比，在性能上有如下特點(diǎn)：(1)精度高；(2)穩(wěn)定性好；(3)可靠性高；(4)靈活性好；(5)(6)存儲(chǔ)能力強(qiáng)；(7)1.2典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有哪些主要組成部分？試用框圖表示系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。部分構(gòu)成軟件變送器傳感器接口A\D多路開關(guān)顯示終端口口執(zhí)行機(jī)構(gòu)D\口口執(zhí)行機(jī)構(gòu)磁盤驅(qū)動(dòng)器磁盤驅(qū)動(dòng)器接口開關(guān)量輸出打印機(jī)臺(tái)通用外部設(shè)備主機(jī)及操作臺(tái)接口外部通道檢測(cè)及變送通用外部設(shè)備主機(jī)及操作臺(tái)硬件組成(1)主機(jī)(微型計(jì)算機(jī))：包括CPU和內(nèi)存儲(chǔ)器(RAM和ROM)通過系統(tǒng)總線連接而成，統(tǒng)的核心。(2)外部設(shè)備：輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、外存儲(chǔ)器和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備。(3)輸入輸出通道(過程通道):是計(jì)算機(jī)與工業(yè)生產(chǎn)過程交換信息的通道，是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)按特殊要求設(shè)置的部分，包括：模擬量、數(shù)字量、開關(guān)量輸入輸出通道和接口 (4)人—機(jī)聯(lián)系設(shè)備(操作臺(tái))軟件組成系統(tǒng)的工作都是在程序的指揮下進(jìn)行協(xié)調(diào)工作的。軟件通常分為兩大類：一類是系統(tǒng)軟件，用軟件。1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有哪些分類?并指出主要的應(yīng)用場(chǎng)合。答：根據(jù)計(jì)算機(jī)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的功能和目的分為：1)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)及對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行積累和實(shí)時(shí)分析。等特點(diǎn)，故在過程參數(shù)的測(cè)量和處理器具有運(yùn)算、邏輯判斷能力，可以對(duì)大量的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的集中、加工和處理，進(jìn)中，作為資料保存和供分析使用該控制系統(tǒng)屬于開環(huán)控制結(jié)構(gòu)。3)直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DirectDigitalControl,簡(jiǎn)稱DDC)計(jì)算機(jī)直接參加閉環(huán)控制過程。計(jì)算機(jī)通過測(cè)量元件對(duì)一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)和采樣，對(duì)開關(guān)量信號(hào)直接采集輸入，對(duì)模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量輸入，然后按一定的控制規(guī)律計(jì)算處理，發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器變成模擬信號(hào)，去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，或者由開關(guān)量通道直接進(jìn)行控制，使各被控量達(dá)到預(yù)定的要求。該控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好、可靠性高和適應(yīng)性強(qiáng)。實(shí)現(xiàn)集中控制，代替常規(guī)控制儀表控制算法,單回路及常用復(fù)雜控制系統(tǒng),由于集中控制的固有缺陷，硬件可靠性低,未能普及。SupervisoryComputerControl，簡(jiǎn)稱SCC)計(jì)算機(jī)按照被控的生產(chǎn)最后由DDC計(jì)算機(jī)或模擬調(diào)節(jié)器來控制生產(chǎn)過程，使生產(chǎn)過程始終處于最佳工況。分利用原有的模擬調(diào)節(jié)器。模擬調(diào)節(jié)器中的SCC一樣，用來計(jì)算最佳給定值，它與DDC之間通過接口進(jìn)行信息聯(lián)系。它顯然提高了控制系統(tǒng)的可靠性。與SCC＋模擬調(diào)節(jié)器系統(tǒng)相比，其控制規(guī)律可以改變，此系統(tǒng)要達(dá)到理想的最優(yōu)化控制是不容易的。5)分級(jí)控制系統(tǒng)(HCC)現(xiàn)代微機(jī)、通信技術(shù)和CRT顯示技術(shù)的巨大進(jìn)展，使得微機(jī)控制產(chǎn)量最高、質(zhì)量最好、原料和能耗最小、成本最低、可靠性最高、環(huán)境污染最小等指標(biāo)，它反映了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多方面的綜合性要求。分級(jí)控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)是大系統(tǒng)理論。智能控制機(jī)器人可以看作是一個(gè)大系統(tǒng)，智能控制的結(jié)構(gòu)之一就是分級(jí)控制。不同的任務(wù)，既能進(jìn)行控制又能實(shí)現(xiàn)管理。7)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)成了DCS中的三層結(jié)構(gòu)功能，降低了成本，提高了可靠性，并且在統(tǒng)一國際標(biāo)準(zhǔn)下可實(shí)現(xiàn)真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8)工業(yè)過程計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)制系統(tǒng)(DirectDigitalControl,簡(jiǎn)稱DDC)、監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(SupervisoryComputer數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)，在有的書中認(rèn)為不是嚴(yán)格意義的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。答：系統(tǒng)的穩(wěn)定性、能控性、能觀性、動(dòng)態(tài)特性以及穩(wěn)態(tài)特性(精度)來表征，衡量系統(tǒng)優(yōu)劣的指標(biāo)通常用穩(wěn)態(tài)裕量、動(dòng)態(tài)指標(biāo)、穩(wěn)態(tài)指標(biāo)和綜合指標(biāo)等。1.5列舉一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例，并給出該系統(tǒng)必要的說明。。設(shè)備調(diào)節(jié)閥過熱蒸汽送負(fù)荷設(shè)備減溫器墻過熱器膛熱空氣燃料熱空氣送往爐膛熱空氣燃料燃燒嘴給水(由給水泵來)冷燃燒嘴煙氣(經(jīng)引風(fēng)機(jī)送到煙囪)圖11.1鍋爐設(shè)備主要工藝流程圖Ds度的過熱蒸汽D，匯集至蒸汽母管。壓力為Pm的過熱蒸汽，經(jīng)負(fù)荷設(shè)備控制供給負(fù)荷設(shè)備用。與此同時(shí)，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，除將飽和蒸汽包水位給水量噴水量氣溫燃料量汽壓送風(fēng)量過量空氣系數(shù)引風(fēng)量爐膛負(fù)壓圖1汽包水位給水量噴水量氣溫燃料量汽壓送風(fēng)量過量空氣系數(shù)引風(fēng)量爐膛負(fù)壓圖11.2輸入變量與輸出變量關(guān)系圖出變量是汽包水位、蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、爐膛負(fù)壓、過?？諝?煙氣含氧量)等。這些輸入變量與輸出變量之間相互關(guān)聯(lián)。如果蒸汽負(fù)壓發(fā)生變化，必將會(huì)引起汽包水位、蒸汽壓力和過熱蒸汽溫度等的變化；燃料量的變化不僅過熱蒸汽溫度、過?？諝夂蜖t膛負(fù)壓；給水量的變化不僅影響汽包水位，而且對(duì)多變量對(duì)象可按自治的原則和協(xié)調(diào)對(duì)多變量對(duì)象可按自治的原則和協(xié)調(diào)鍋爐給水控制系統(tǒng)和過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)。1.燃燒過程控制系統(tǒng)(1)燃燒過程控制任務(wù)鍋爐的燃燒過程是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換和傳遞的過程，其控制目的是使燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要(常以蒸汽壓力為被控變量)；使燃料與空氣量之間保持一定的比值，以保證最佳經(jīng)濟(jì)效益的燃燒(常以煙氣成分為被控變量)，提高鍋爐的燃燒效率；使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，以保持爐膛負(fù)壓在一定的范圍內(nèi)。(2)燃燒過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案對(duì)象而言，在眾多的信號(hào)通道中，對(duì)某一個(gè)被調(diào)量可能只有一個(gè)通道對(duì)它有較重要的影響，風(fēng)量——爐膛負(fù)壓子系統(tǒng)。不少多變量系統(tǒng)可以利用自治原則來進(jìn)行簡(jiǎn)化，但并不是分解成多個(gè)單回路控制系統(tǒng)后，問題就全部解決。因?yàn)楦骰芈分g往往還存在著聯(lián)系和要求，必須在設(shè)計(jì)中加以考慮。用幾個(gè)近似單變量對(duì)象來代替時(shí)所忽略的變量之間的關(guān)聯(lián)。量子系統(tǒng)間應(yīng)滿足以下兩點(diǎn):①鍋爐燃燒過程中燃料量與空氣(送風(fēng))量之間應(yīng)保持一定比例，實(shí)際空氣(送風(fēng))量大于燃料需要空氣量，他們之間存在一個(gè)最佳空燃比(最佳過?？諝庀禂?shù))α，即一般情況下，α＞1。②為了保持在任何時(shí)刻都有足夠的空氣以實(shí)現(xiàn)完全燃燒，V(實(shí)際送入空氣量)=B(燃料需要空氣量)111()1()22()高選器空燃比值器2統(tǒng)叉限制協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，如圖11.3所示。其中，Wm1(s)和Wm2(s)是燃料量和送風(fēng)量測(cè)量變送器的傳遞函數(shù)，假設(shè)它們都是比例環(huán)節(jié)，則Wm1(s)=K1，Wm1(s)=K2。由此可得到最佳空燃比α與空氣量、燃料量測(cè)量信號(hào)IV和IB之間的關(guān)系如下：VIKKI==V2=1VBIKKIB12B設(shè)K2=bK1則IKV=2=bIKB1的信號(hào)為IQ，當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，則有：設(shè)定值設(shè)定值即r1=IQ=IV/β=IBr2=βIQ=βIB=IVIQ=IB；IV=βIBIB，所以，增大的IQ信號(hào)通過高選器，在乘以β后作為設(shè)定值送入調(diào)節(jié)器WC2，顯然該調(diào)節(jié)器將使u2增加，空氣閥門開大，送風(fēng)量增大，即IV增加。對(duì)于燃料量控制系統(tǒng)來說，反之，在負(fù)荷信號(hào)減少時(shí)，則通過低選器先減少燃料量，待IB減少后，空氣量才開始隨高選器的輸出減小而減小，從而保證在動(dòng)態(tài)時(shí)，滿足上述第②點(diǎn)要求，始終保持完全燃燒?？刂谱酉到y(tǒng)大都采用以主汽壓力為主參數(shù)、燃料量為副參數(shù)的串級(jí)控制方案。保證燃料在爐膛中的充分燃燒是送風(fēng)控制系統(tǒng)的基本任務(wù)。在大型機(jī)組的送風(fēng)系統(tǒng)中，調(diào)變送變送器送風(fēng)控制系統(tǒng)是針對(duì)二次風(fēng)控制而言的。送風(fēng)子控制系統(tǒng)的最終目的是達(dá)到最高的鍋爐熱效率，保證經(jīng)濟(jì)性。為保持最佳過剩空氣系數(shù)α，必須同時(shí)改變風(fēng)量和燃料量。α是由煙氣含量如圖11.4所示。它首先在內(nèi)環(huán)快速保證最佳空燃比，至于給煤量測(cè)量不準(zhǔn)，則可由煙氣中量調(diào)節(jié)器設(shè)定，使送風(fēng)調(diào)節(jié)器減少送風(fēng)量，最終保證煙氣中含氧量等于設(shè)定值。為設(shè)定值，以穩(wěn)定燃燒，減少污染，保證安全。2.鍋爐給水控制系統(tǒng)(1)鍋爐給水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)(2)給水控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)單沖量控制系統(tǒng)以水位信號(hào)H為被控量、給水流量作為控制量組成的單回路控制系統(tǒng)稱為單沖量控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、整定方便，但克服給水自發(fā)性擾動(dòng)，和負(fù)荷擾動(dòng)的能力差，特別烈的上下波動(dòng)，嚴(yán)重影響設(shè)備壽命和安全。單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)該系統(tǒng)相當(dāng)于將上述單沖變送器調(diào)節(jié)器控制機(jī)構(gòu)汽包荷作為系統(tǒng)設(shè)定值，利用調(diào)節(jié)器控制機(jī)構(gòu)汽包量給水控制系統(tǒng)，如圖11.5所荷變化時(shí)，它早于水制，及時(shí)的改變給水流量，維持進(jìn)出汽包控制機(jī)控制機(jī)構(gòu)2變送器變送器流量調(diào)器流量調(diào)器包01圖11.6串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的物質(zhì)平衡，有效地減少假水位的影響，抑制水位的動(dòng)態(tài)偏差；給水流量是局部反饋信號(hào)，變化的需要；汽包水位量是被控制量、主信號(hào)，穩(wěn)定時(shí)，汽包水位等于設(shè)定值。顯然，三沖量統(tǒng)。事實(shí)上，由于檢測(cè)、變送設(shè)備的誤差等因素的影響，蒸汽流量和給水流量這兩個(gè)信號(hào)的測(cè)量值在穩(wěn)態(tài)時(shí)難以做到完全相等，且單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)一個(gè)調(diào)節(jié)器參數(shù)整定需要兼顧較多的因素，動(dòng)態(tài)整定過程也較復(fù)雜，因此在現(xiàn)場(chǎng)很少再采用單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)。串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖11.6所示。該系統(tǒng)由主副兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器和三個(gè)沖量構(gòu)成，與單級(jí)三沖量系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)多采用了一個(gè)PI調(diào)節(jié)器，兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)工調(diào)節(jié)器，它根據(jù)給水流量偏差控制給水流量并接受前饋信號(hào)。蒸汽流量信號(hào)作為前饋信號(hào)，較高，是現(xiàn)場(chǎng)廣泛采用的給水控制系統(tǒng)，也是組織給水全程控制的基礎(chǔ)。3.蒸汽溫度控制系統(tǒng)(1)蒸汽溫度控制系統(tǒng)任務(wù)一般是過熱器出口溫度，操縱變量是減溫器的噴水量。(2)過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)雙沖量氣溫控制系統(tǒng)。4.鍋爐